二氧化钛光降解甲基橙的实验研究

摘要：二氧化钛（TiO■）作为一种催化剂已经得到了广泛的应用，特别是在污水处理方面。本课题主要探究了用二氧化钛（TiO■）光降解污水中的有机污染物甲基橙，并对其机理进行了探讨。通过分析二氧化钛（TiO■）的用量与甲基橙的用量比例、反应时间、pH值以及外界条件等因素对降解结果的影响，找到最佳的降解条件。实验结果表明：在125W高压汞灯的照射以及在磁力搅拌器的搅拌下，在强酸或强碱的条件下，当甲基橙：二氧化钛=1∶1000时，可达到最佳降解率。

关键词：二氧化钛；光催化；降解

中图分类号：G642.423 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）37-0231-02

随着经济与技术的发展，染料及印染行业生产规模不断扩大，同时因为工业废水具有成分复杂、色度高、排放量大、毒性大（其中含苯环、胺基、偶氮基团等致癌物质）、可生化性差等特点，一直是废水处理中的一个难题。在众多的光催化材料中，半导体TiO■因其性质稳定、易分离、耐光腐蚀、无毒的特性被应用在工业中。TiO■粒子具有能带结构，一般由填满电子的低能价带和空的高能导带构成价带和导带之间存在禁带。当用能量等于或大于禁带宽度（也称带隙，Eg）的光照射半导时，价带上的电子（e-）被激发跃迁至导带，在价带上产生了相应的空穴（h+），并在电场作用下分离并迁移到粒子表面。本研究采用二氧化钛（TiO■）光降解污水中的有机污染物甲基橙，并对其机理进行了探讨。通过分析二氧化钛（TiO■）的用量与甲基橙的用量比例、反应时间、pH值以及外界条件等因素对降解结果的影响，找到最佳的降解条件。

一、实验

本研究所用到的药品有甲基橙、粉末二氧化钛、氢氧化钠、盐酸等；实验仪器有分光光度计、磁力搅拌器、125W高压汞灯、离心机。配制一定浓度的甲基橙溶液，用分光光度计在400～600nm之间的不同波长下测定此浓度甲基橙的分光光度值，分析得出甲基橙的最大吸收波长为462nm。在1mg/L～50mg/L的浓度之间配制一系列浓度梯度的甲基橙溶液，在甲基橙最大吸收波长下测得甲基橙的分光光度值，做出工作曲线。取每次实验后待测的溶液，在离心机中分离之后，取上层清液，在最大波长下测得吸光光度值，根据工作曲线得出甲基橙的浓度，求解降解率。

二、实验结果与讨论

1.pH值对降解率的影响。取10mg/L的甲基橙为基液，按甲基橙：二氧化钛为1∶1000投放二氧化钛，改变其酸碱值进行实验，后测得结果如下图。

由数据分析可知，在强酸和强碱环境下甲基橙的降解率为最佳。这是由二氧化钛光催化机理所决定的，羟基自由基是光催化反应的一种主要活性物质，对光催化氧化起决定作用，吸附于催化剂表面的氧及水合悬浮液中的OH-、H■O等均可产生该物质。在二氧化钛吸附表面上的水时，反应机理表示为：TiO■+H■Oe- + h+，h+ +H■O・OH+H+，h+ +・OH。在强碱环境下会有大量的OH-产生，有利于・OH的形成；在二氧化钛吸附表面的O■时，其机理可表示为：O■+e-・O■-，・O■- + H+ HO■・2HO■・O■+H■O■，H■O■+O■- ・OH+OH- +O■。在强酸环境下会有大量的H+产生，由反应机理表达式可以看出，在大量的H+下有利于・OH的形成。在两种情况下形成的大量的羟基自由基对整个催化氧化过程起着重要的作用。

2.甲基橙与二氧化钛比例的影响。分别向10mg/的甲基橙溶液中加入不同比例的二氧化钛，在pH为2的条件下，测得实验结果如下所示：

由图中可以看出在二氧化钛用量大于0.7克时，即二氧化钛与甲基橙之比大于1000时，甲基橙的降解率能达到90%以上，而且再增大二氧化钛的用量降解率变化不明显，而且略有下降。这是因为，整个光催化反应是在催化剂二氧化钛表面上进行的，随着催化剂用量的增加，反应活性位增加，降解反应速率也随之增加，甲基橙降解率也随着催化剂的增多而增多，但是定量的甲基橙进行光催化反应所需要的催化剂活性位是一定的，当催化剂的量超过甲基橙的所需量时，再增加催化剂的用量时将不会提高降解率，反而使降解率有所下降。

3.反应时间对降解率的影响。取50ml 10mg/L的甲基橙溶液，调节PH值为2，按照甲基橙与二氧化钛1：1000的比例投放二氧化钛，在高压汞灯照射下边搅拌边分别反应，10min、20min、30min、40min、50min、60min后，取反应后溶液测得结果如下：

由图可以看出，反应时间为30min时降解率基本上达到最大值，再增长反应时间时，降解率基本保持不变。

通过对以上数据进行分析可以得出甲基橙光催化降解的最优条件是：甲基橙与二氧化钛以1∶1000的比例，在强酸或强碱条件下，在高压汞灯照射下边搅拌边反应，可使降解率达到90%以上。

参考文献：

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